Forskare från PTB och Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), både Tyskland, har utfört banbrytande optiska mätningar av högladdade joner med en aldrig tidigare skådad precision. Att göra detta, de isolerade en enda Ar13 + -jon från en extremt varm plasma och fick den praktiskt taget att vila inuti en jonfälla tillsammans med en laserkyld, enbart laddad jon. Använder kvantlogisk spektroskopi på jonparet, de har ökat den relativa precisionen med en faktor på hundra miljoner jämfört med tidigare metoder.

Detta öppnar upp för mängden högladdade joner för nya atomur och ytterligare vägar i sökandet efter ny fysik.

Högt laddade joner är - även om de verkar exotiska - en mycket naturlig form av synlig materia. All materia i vår sol och i alla andra stjärnor är starkt joniserad, till exempel. På många sätt, dock, högladdade joner är mer extrema än neutrala atomer eller enskilt laddade joner. På grund av deras höga positiva laddning, de yttre elektronerna i atomskalet är starkare bundna till atomkärnan. De är därför mindre känsliga för störningar av externa elektromagnetiska fält. Å andra sidan, jämfört med neutrala och ensamt laddade atomer, effekterna av särskild relativitet och kvantelektrodynamik samt interaktionen med atomkärnan förbättras avsevärt. Högt laddade joner är därför idealiska system för exakta atomur som kan användas för att testa grundläggande fysik. De yttre elektronerna i dessa system fungerar som känsliga "kvantsensorer" för effekter som tidigare okända krafter och fält. Eftersom varje element i det periodiska systemet ger lika många laddningstillstånd som det finns elektroner i atomskalet, det finns en mängd olika atomsystem att välja mellan.

Hittills, dock, etablerade mättekniker som används i optiska atomur kunde inte appliceras på högladdade joner. Det största hindret manifesterar sig redan i produktionen:en stor mängd energi krävs för att ta bort ett betydande antal elektroner från atomerna, och jonerna existerar då i form av en plasma så varm som solen själv. Dock, de mest exakta och exakta experimenten kräver det raka motsatsen:lägsta möjliga temperaturer och välkontrollerade omgivningsförhållanden för att minska skiftningar och bredda spektrallinjer som ska mätas. Detta hindras av det faktum att högladdade joner inte direkt kan laserkylas, och konventionella detektionsmetoder kan inte tillämpas på grund av deras atomstruktur.

Fysiker från Physikalisch-Technische Bundesanstalt och Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg har nu kombinerat individuella lösningar på vart och ett av dessa problem i ett världsomspännande unikt experiment vid QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology i Braunschweig. De isolerade en enda högladdad jon (Ar ₁₃ ⁺ ) från en varm plasmajonkälla och lagrade den tillsammans med en enstaka laddad berylliumjon i en jonfälla. Det senare kan laserkylas mycket effektivt och genom den inbördes elektriska interaktionen kan temperaturen för hela jonparet reduceras. Så småningom, denna så kallade "sympatiska kylning" bildar en två-jonskristall som helt "fryser" in i det kvantmekaniska rörelsestillståndet vid en ekvivalent temperatur på bara några miljondelar av en grad över absolut noll.

Med hjälp av en ultrastabil laser löste forskarna exakt spektralstrukturen för Ar ₁₃ ⁺ jon i ett mätförfarande liknande det som används i toppmoderna klockor. För detta, de tillämpade begreppet kvantlogik, i vilken spektroskopisignalen överförs koherent från den högladdade jonen till berylliumjonen med hjälp av två laserpulser. Berylliumjonens kvanttillstånd är mycket lättare att bestämma via laserexcitation. "Beskrivande, berylliumjonen "avlyssnar" om tillståndet för den mindre kommunikativa högladdade jonen och rapporterar till oss om dess tillstånd, "förklarar Piet Schmidt, chef för samarbetet. "Här, vi har förbättrat den relativa precisionen för högladdade joner med en faktor på hundra miljoner jämfört med traditionell spektroskopi, "tillägger Peter Micke, forskningsassistent vid QUEST Institute och första författare till uppsatsen.

Genom att kombinera alla dessa metoder upprättas ett mycket generellt koncept som kan tillämpas på de mest högladdade jonerna. Berylliumjonen kan alltid användas som en så kallad logisk jon och produktionsprocessen för de högladdade jonerna i plasma med efterföljande isolering av en enda jon är oberoende av valet av atomtyp och laddningstillstånd.

José Crespo, chef för gruppen vid Max Planck Institute for Nuclear Physics, betonar:"Detta experiment öppnar upp för en aldrig tidigare skådad, extremt omfattande atomsystem som ska användas i precisionsspektroskopi såväl som för framtida klockor med speciella egenskaper. "För grundforskning, den stora variationen av dessa nya, skräddarsydda "kvantsensorer" möjliggör en lovande undersökning av grundläggande frågor:Är vår standardmodell för partikelfysik komplett? Vad är mörk materia? Är grundläggande konstanter verkligen konstanta?

Studien rapporteras i Natur .